Astaire och Rogers var för första gången tillsammans i filmen Flying Down to Rio från 1933. De hade biroller, med femte respektive fjärde plats, men deras framträdande i ”Carioca”-numret var filmens höjdpunkt, och RKO Radio Pictures var angelägna om att dra nytta av deras popularitet.
1934 gjorde Astaire och Rogers musikalfilmen The Gay Divorcee, med Edward Everett Horton i huvudrollen. Det var deras första gemensamma huvudroll i en film och den spelade in ännu mer än Flying Down to Rio, med en världsomspännande uthyrning på 1,8 miljoner dollar; filmen innehöll också den klassiska Cole Porter-låten ”Night and Day”. Låten ”The Continental” från filmen blev en succé och var också den första låten som vann Oscar för bästa originalsång vid Oscarsgalan 1934.
Astaire och Rogers gjorde två filmer 1935. I Roberta, som innehöll låten ”I Won’t Dance”, fick Astaire och Rogers andra respektive tredje plats bakom Irene Dunne. Filmen blev en succé med en världsomspännande intäkt på 2,3 miljoner dollar. Top Hat, där även Horton medverkade, var första gången som duon fick en film skriven enbart för dem, och den visade sig vara en av årets mest framgångsrika filmer, med en världsomspännande uthyrning på 3,2 miljoner dollar. Det var den mest lönsamma filmen som RKO gjorde på 1930-talet, med en vinst på 1,3 miljoner dollar.
De röstades fram på fjärde plats i undersökningen Top Ten Money Making Stars Poll för 1934-1935, som publicerades av Quigley Publishing Company.
För 1936 var Astaire och Rogers toppnamn på biograferna. Det året gjorde de ytterligare två filmer tillsammans: Follow the Fleet och Swing Time, som båda var succéer och som fick en världsomspännande uthyrning på 2,7 miljoner dollar respektive 2,6 miljoner dollar. Follow the Fleet hade ännu en Irving Berlin-musik, som innehöll vinjetten ”Let’s Face the Music and Dance”. Swing Time gav upphov till den Oscarsbelönade låten ”The Way You Look Tonight”, skriven av Jerome Kern med text av Dorothy Fields, som Astaire sjöng för Rogers. John Mueller har citerat Swing Time för att ha ”den bästa dansen i universums historia”. Danssekvenserna i Swing Time (t.ex. ”Never Gonna Dance”) anses av Arlene Croce vara höjdpunkten i deras konst. Denna scen tog 47 tagningar att fullborda, under vilka dansarna var tvungna att klättra uppför trappor och snurra, tills de fullbordade den. I slutet av inspelningen blödde Rogers fötter. De röstades fram som de tredje mest inkomstbringande stjärnorna 1936 i den årliga Quigley-undersökningen.
Astaire och Rogers gjorde en film 1937, Shall We Dance, återigen med Edward Everett Horton i huvudrollen. Även om filmen var RKO:s största film för året, med världsomspännande intäkter på 2,2 miljoner dollar, gick den inte så bra som studion hade räknat med. Shall We Dance hade den första filmmusiken i Hollywood av bröderna George och Ira Gershwin och innehöll låten ”They Can’t Take That Away from Me”. Även om Astaire och Rogers skulle komma att göra ytterligare två filmer tillsammans för RKO, blev filmens relativa besvikelse i kassan början på slutet av deras partnerskap.
Efter en ovanligt lång period av åtskillnad gjorde Astaire och Rogers endast en film tillsammans 1938, den 80 minuter långa Carefree. Under tiden som de var ifrån varandra medverkade Rogers i den framgångsrika filmen Stage Door, medan Astaire medverkade tillsammans med Joan Fontaine i musikalen A Damsel in Distress, den första film han hade gjort som förlorade pengar. Carefree innebar ett avsteg från deras filmformel, med Astaire i en roll som inte liknar hans vanliga typiska rollfigur och med mindre tonvikt på musikaliska inslag. Carefree skulle ursprungligen innehålla sekvenser som spelades in i Technicolor, men RKO ansåg att kostnaden var oöverkomlig, så den filmades i svartvitt. Filmen har en Irving Berlin-musik med endast fyra låtar, vilket är det minsta antalet låtar i någon Astaire- och Rogers-film. Även om filmen mottogs väl av kritikerna, och Motion Picture Heralds William R. Weaver kallade den ”den bästa Astaire-Rogers-filmen”, var det deras dyraste film hittills, den kostade 1,3 miljoner dollar och gick i slutändan med förlust för studion, trots att den hyrdes ut över hela världen för 1,7 miljoner dollar.
År 1939 gjorde Astaire och Rogers The Story of Vernon and Irene Castle. Det var slutet på deras samarbete under tio år. Trots flera framgångsrika filmer stod RKO inför en konkurs. På grund av de höga kostnaderna och den låga vinsten för de senaste Astaire-Rogers-filmerna, tillsammans med stjärnornas ömsesidiga önskan att förgrena sig, meddelade RKO slutet på partnerskapet på filmduken. Även om deras relation förblev vänskaplig ville båda utforska nya vägar. Rogers var intresserad av mer dramatiska roller än de hon erbjöds tillsammans med Astaire. Samtidigt ville Astaire, som arbetade med många dansare under hela sin karriär, bli känd som en dansare i sin egen rätt, snarare än att alltid vara tillsammans med en permanent partner.